Критерии предельных состояний сосудов под давлением

Предельным состоянием объекта может считаться такое состояние, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна по техническим причинам, из-за нарушения требований безопасности (экологии) или по экономическим соображениям.

К примеру, предельным состоянием сосуда (аппарата), подвергающегося при эксплуатации коррозионно-эрозионному разрушению, является уменьшение толщины его стенок до предельной (расчетной) величины, ниже которой не обеспечивается необходимый запас его несущей способности.

Глубина отдельных локальных повреждений (исключая трещины) может значительно превышать среднюю глубину повреждений и не нарушать несущей способности аппарата. Допустимое количество (доля) повреждений на поверхности аппаратов и их размеры должны регламентироваться в зависимости от:

– характера нагрузки на элементы оборудования;

– свойств применяемых материалов.

Для элементов теплообменников критерии отбраковки следующие:

а) корпус, днище, фланцы и штуцера отбраковывают в следующих случаях.

– если под действием коррозии и эрозии толщина теплообменника достигнет расчетного значения

S = Sрасч.;

Sисп. = Sрасч. + С;

– при наличии дефектов сварных швов, обнаруженных неразрушающими методами, а также металлографическими исследованиями: трещин всех видов и направлений, расположенных в металле шва, по линии оплавления и в околошовной зоне основного металла, в том числе и микротрещин, выявленных при микроисследовании; межкристаллитной коррозии сварных швов и износа их толщины до отбраковочных размеров, коррозионного растрескивания;

– при появлении трещин, а также неравномерных коррозионных язв общей площадью Аобщ.язв более 10% от поверхности рассматриваемого элемента (корпуса, днища) Акорп. и глубиной DS, превышающей 50% от первоначальной толщины его стенки Sисп.;

– если элементы теплообменника не выдержали испытания на прочность и плотность.

б) трубные решетки отбраковывают при наличии трещин или коррозионного и эрозионного разрушения на глубину DSтр. более 10% от первоначальной толщины Sисп.тр.

Элементы металлоконструкций отбраковывают при износе толщины их стенки на 30% от проектной.

Для трубопроводов определены следующие количественные критерии:

– износ толщины стенки не более 20%;

– величина остаточной деформации труб из углеродистых сталей не более 2,5%.

Из рассмотренных критериев видно, что критерии предельного состояния могут быть:

– качественными (наличие трещин, свищей, вмятин, коррозионного растрескивания);

– количественными (величина износа, коррозии, деформации и др.).

При отсутствии в технической документации КПС ориентировочными их значениями могут быть нормы технологических допусков на изготовление, которые могут уточняться в зависимости от конструктивного исполнения, материала и условий эксплуатации.

Методы оценки величины повреждений

Результаты всех выполненных исследований (расчетов), сделанных на основе разработанной методики, оформляются в виде заключения об остаточном ресурсе с приложениями.

Остаточный ресурс является прогнозируемой величиной. Прогноз осуществляется на основе анализа:

– основных тенденций в изменении технического состояния оборудования

– скорости изменения соответствующих параметров технического состояния.

Данная методика основана на индивидуальной диагностике обследуемого оборудования и включает следующие этапы работ:

1) оценки технического состояния объекта эксплуатации. Оценка технического состояния оборудования является первым этапом и одним из важнейших элементов определения его остаточного ресурса. Достоверность оценки технического состояния определяет надежность прогноза остаточного ресурса. Этим положением обусловлена необходимость использования при оценке технического состояния максимально возможной информации об исследуемом объекте.

Основной исходной информацией для оценки технического состояния являются:

– статистическая информация;

– техническая документация;

– внешний и внутренний осмотры оборудования;

– толщинометрия. Замер толщины производится для всех несущих элементов (корпус, днище, люки, штуцера и др.), на которых выявлены видимые следы коррозии;

– дефектоскопия.

Максимальная достоверность исходной информации и надежность средств контроля предполагает использование современных эффективных методов и средств неразрушающего контроля структурной целостности объекта и физико-механических характеристик материала.

Результаты обследования служат основанием для принятия решения о необходимости вырезки металла для проведения исследования физико-механических свойств.

2) исследование физико-механических свойств металла. Для проведения исследования металла оборудования с целью оценки изменения его физико-механических свойств под влиянием условий длительной эксплуатации делаются контрольные вырезки. Из металла контрольной вырезки изготавливаются образцы для проведения следующих исследований:

– металлографических и замера твердости;

– испытаний на растяжение при нормальной и повышенной температуре;

– испытания на ударный изгиб при нормальной и пониженной температуре;

– оценки химического состава материала.

Необходимость каждого испытания определяется специалистами.

3) оценка фактической нагруженности элементов объекта. Оценка фактической нагруженности элементов оборудования выполняется расчетным, экспериментальным или комплексным методами. Расчеты по действующим нормативно-техническим документам выполняются:

– с учетом фактической геометрии конструкции;

– с учетом фактических толщин несущих элементов;

– с учетом имеющихся и выявленных концентраторов напряжений.

Для натурной оценки нагрузок, действующих на основные элементы оборудования, установления фактических напряжений, возникающих в элементах конструкции, используется натурное тензометрирование, которое рекомендуется выполнять при испытаниях оборудования и в условиях эксплуатации.

4) оценка работоспособности. Оборудование считается работоспособным, если его основные силовые элементы имеют запасы прочности не ниже установленных нормативными документами: nт = 1,5 – запас по пределу текучести; nв = 2,4 – запас по пределу прочности; nд = 1,5 – по пределу длительной прочности; nп = 1,0 – по пределу ползучести; nσ = 2,0 – по амплитудным напряжениям.

Величина запаса определяется фактическими физико-механическими свойствами металла конструкции и ее фактической нагруженностью.

Если эти условия не выполняются, а также для оборудования, имеющего дефекты формы (вмятины, выпучины, гофры) и трещины, работоспособность оборудования определяется после проведения специальных исследований или расчетов.

5) оценка ресурса оборудования. Прогнозирование ресурса оборудования основывается на результатах обследования его технического состояния. Схема оценки ресурса определяется типом основного повреждающего фактора, действующего на оборудование в процессе эксплуатации. Прогнозирование ресурса производится для оборудования, техническое состояние которого по результатам обследования и исследования физико-механических свойств металла оценивается как удовлетворительное. За ресурс оборудования принимается минимальное из полученных значений расчетного ресурса по повреждающим факторам, действующим на оборудование.

В тех случаях, когда расчетный ресурс оборудования превышает 10 лет, его принимают равным 10 годам. По выработке установленного ресурса, для оценки возможности дальнейшей эксплуатации оборудования, необходимо выполнение нового исследования.

Лекция 13. Определение остаточного ресурса оборудования при малоцикловых нагрузках

Общие положения

Малоцикловое нагружение (малоцикловая усталость) – повторно-статические нагружение, характеризуется малым числом циклов до разрушения и сравнительно большим уровнем прикладываемых напряжений.

Расчету подлежат аппараты стальные в химической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности.

Расчетные формулы применимы при условии:

1) расчетная температура стенки из углеродистой стали не превышает 380°С;

2) расчетная температура стенки из низколегированной стали не превышает 420°С;

3) из аустенитной стали – 525°С.

Главные циклы нагружения возникают от давления, стесненности температурных деформаций или других видов нагружения.

Предельное состояние определяют главные циклы (предельное число) за весь срок эксплуатации сосуда.

[N] = Nпред. = (103 ¸ 5 ∙ 105) циклов.

Цикл нагружения – изменение нагрузки, которая заканчивается первоначальным состоянием и затем повторяется. Размах колебаний нагрузки – абсолютное значение разности между максимальным и минимальным ее значениями в течение одного цикла.

Необходимо учитывать следующие циклы:

1) между пуском и остановкой;

2) при испытаниях давлением;

3) вызванные стесненностью температурных деформаций;

4) от дополнительных усилий F и моментов М (от крепления аппаратов и трубопроводов).

При расчете на малоцикловую усталость не учитывают циклы нагружения от:

а) ветровых и сейсмических нагрузок;

б) нагрузок, возникающих при транспортировании и монтаже;

в) нагрузок, у которых размах колебания не превышает:

– 15% от допускаемого значения, установленного при расчете на статическую прочность, для углеродистых и низколегированных сталей;

– 25% от допускаемого значения, установленного при расчете на статическую прочность, для аустенитных сталей;

г) температурных нагрузок, при которых размах колебания разности температур в двух соседних точках менее:

– 15°С для углеродистых и низколегированных сталей;

– 20°С для аустенитных сталей.

Под соседними точками следует понимать две точки стенки сосуда, расстояние между которыми l не превышает:

, (13.1)

где D – диаметр сосуда;

S – толщина стенки сосуда.

Расчет на малоцикловую усталость можно производить:

– для отдельных узлов при соответствующих значениях ξ, η, [σ] и [Р];

-для аппарата в целом при наибольших значениях ξ, η, [σ] и наименьшем [Р].

Методика определения остаточного ресурса при малоцикловых нагрузках

Этап 1. Циклы нагружения давлением

Должно выполняться условие:

Np ≤ [Np] (13.2)

где Np – действительное число циклов нагружения давлением – наработка за время эксплуатации определяется из журнала наблюдений за оборудованием за весь период от ввода оборудования в эксплуатацию до настоящего времени;

[Np] – допускаемое число циклов нагружения давлением [Np] определяется по ГОСТ в зависимости от комплексов {ξ, η, [σ]} и {ΔР/[Р]} (см. приложение П.4-6).

Этап 1.1 Определение допускаемого числа циклов нагружения давлением [Np]

Рассмотрим, как определяются величины, входящие в эти комплексы.

Комплекс {ξ, η, [σ]}

Коэффициент ξ зависит от типа сварного шва или соединения элементов и определяется по ГОСТ 25859- (см. приложение П.4).

Коэффициент η зависит от типа расчетного элемента, играющего самостоятельную роль или входящего в какой-либо узел (например: оболочка, днище, обечайка с кольцом жесткости и др.), определяется по ГОСТ 25859-83 (см. приложение П.5).

Допускаемое напряжение [σ] материала элемента сосуда при расчетной температуре, МПа, принимается по ГОСТ 14249-89 (см. приложение П.1).

Комплекс {ΔР/[Р]}

Размах колебания рабочего давления ΔР, МПа, определяется как разница между давлением в сосуде в состоянии эксплуатации Р (или испытания Р при учете циклов при испытаниях давлением) и атмосферным Ратм. При этом:

– если абсолютное давление больше атмосферного Ратм=0,1 МПа, то:

ΔР = Р, . (13.3 а)

– если абсолютное давление меньше атмосферного Ратм, то:

ΔР = Ратм – Рост = Рнар. (13.3 б)

Допускаемое внутреннее избыточное или допускаемое наружное давление [Р], МПа, определяется в зависимости от вида элемента (обечайка, днище, крышка и др.) и давления (внутреннее или наружное) по ГОСТ 14249-89 следующим образом.

Рекомендуемые страницы: